论文部分内容阅读
高性能膜材料的开发是气体膜分离技术的核心,本文面向碳捕集在能源环境方面的重大需求,以CO2分离过程强化为目标,设计制备了多种基于固有孔高分子PIM-1的气体分离杂化膜。通过几何形貌、功能基团和孔道结构各异的填充剂的引入调控了膜的气体分子亲和性、自由体积特性和界面形态,实现了溶解-扩散-反应机制的单一或协同强化。所制备的杂化膜气体分离性能显著提升。以强化溶解机制为目标,通过掺杂对CO2具有亲和性的聚乙二醇修饰硅基笼状材料PEG-POSS,制备了PIM-1/PEG-POSS杂化膜。基于PEG-POSS与CO2间的偶极-四极矩相互作用,CO2在膜内的溶解系数及CO2选择性显著提升。PIM-1/PEG-POSS(10)相比PIM-1纯膜的CO2/CH4选择性由12提升至30,CO2/N2选择性由19提升至31,同时CO2渗透系数高于1300 barrer,性能突破了2008年的Robeson上界。以强化扩散机制为目标,通过掺杂二维石墨相氮化碳,制备了PIM-1/g-C3N4杂化膜。g-C3N4纳米片有效干扰了PIM-1的分子链排布,在较低填充量下实现了气体渗透系数的提升,CO2渗透系数最高达10528 barrer,H2渗透系数最高达6344 barrer。g-C3N4纳米片的超微孔结构具有尺寸筛分作用,杂化膜H2分离选择性提升同时仍保持较高的H2渗透性,突破了2008年的Robeson上界。g-C3N4纳米片的填充可一定程度改善固有孔高分子的抗老化性能。通过掺杂具有CO2识别性的共价有机框架材料SNW-1,制备了PIM-1/SNW-1杂化膜。SNW-1含碱性促进传递基团,孔道尺寸适宜,可通过酸碱相互作用识别CO2,实现扩散机制和反应机制的协同强化。PIM-1/SNW-1(10)的CO2/CH4及CO2/N2选择性分别为13.5和22.7,较PIM-1分别提升27.4%和37.6%。PIM-1/SNW-1(15)的CO2渗透系数达7954 barrer,较PIM-1提升116%。膜的CO2分离性能突破2008年的Robeson上界。特别地,杂化膜的CO2/N2分离性能较PIM-1显著提升。SNW-1适宜的孔道尺寸和碱性基团使CO2具有竞争吸附优势,PIM-1/SNW-1(20)对混合气的选择性超越理想选择性。